非恒定水流作用下升船機(jī)對(duì)接安全預(yù)警措施研究

李中華，胡亞安

(1.水利部 交通運(yùn)輸部 國家能源局南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029；2.通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

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非恒定水流作用下升船機(jī)對(duì)接安全預(yù)警措施研究

李中華1,2，胡亞安1,2

(1.水利部 交通運(yùn)輸部 國家能源局南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029；2.通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析了不同下游水位、不同波動(dòng)幅值和波動(dòng)周期條件下，三峽升船機(jī)船下游引航道承船廂位置附近與口門區(qū)之間水面波動(dòng)的傳遞規(guī)律，建立了三峽升船機(jī)下游引航道口門區(qū)與承船廂位置的水位波動(dòng)變化關(guān)系；提出了利用口門區(qū)水位波動(dòng)監(jiān)測資料進(jìn)行船廂對(duì)接實(shí)時(shí)預(yù)警的新方法，降低了樞紐非恒定水流變化引起的升船機(jī)船廂運(yùn)行對(duì)接安全風(fēng)險(xiǎn)。

航道工程；升船機(jī)；船廂對(duì)接；引航道；安全預(yù)警

三峽升船機(jī)下游引航道長度達(dá)到2 700 m，在距離船閘下閘首1 100 km處與船閘引航道匯合后共用同一引航道進(jìn)入長江主河道(圖1)。船閘部分引航道底寬160～200 m，引航道底高程為56.5 m，而升船機(jī)引航道底寬僅80～90 m，高程也提升到58.0 m，到承船廂附近寬度進(jìn)一步縮小18 m，水深僅有3.5 m，引航道的“盲腸”效應(yīng)十分顯著?？陂T區(qū)較小的水位波動(dòng)傳遞到升船機(jī)承船廂內(nèi)將引起很大的水面波動(dòng)，樞紐特殊工況下，船廂處水位最大波動(dòng)可達(dá)±0.5 m。三峽升船機(jī)引航道水位波動(dòng)大小受大壩調(diào)洪方式，船閘泄水及出水口的位置、引航道水深、電站調(diào)峰及葛洲壩反調(diào)方式等諸多因素影響，波動(dòng)變化非常復(fù)雜，因此三峽升船機(jī)承船廂對(duì)接過程中引航道水位波動(dòng)引起的安全問題一直是業(yè)界較為關(guān)注問題[1-2]。

圖1 三峽升船機(jī)引航道平面布置

1 研究方法

三峽工程樞紐運(yùn)行工況復(fù)雜，樞紐運(yùn)行產(chǎn)生的各種非恒定流在引航道內(nèi)相互作用疊加影響十分復(fù)雜，采用數(shù)學(xué)模型或物理模型準(zhǔn)確模擬升船機(jī)引航道內(nèi)的實(shí)際水面波動(dòng)難度很大[3-7]。為此，筆者采用新的思路解決三峽樞紐運(yùn)行產(chǎn)生的非恒定流對(duì)升船機(jī)運(yùn)行對(duì)接安全問題，即采用數(shù)學(xué)模型在引航道口門區(qū)人工模擬不同幅值、周期的長波，建立口門區(qū)長波水面波動(dòng)與引航道船廂位置附近的水面變化規(guī)律。

利用三峽升船機(jī)引航道口門區(qū)到船廂位置的距離較長，長波傳遞時(shí)間在10 min以上的特點(diǎn)，在口門區(qū)設(shè)置水位波動(dòng)觀測點(diǎn)，根據(jù)口門區(qū)與船廂位置水位波動(dòng)關(guān)系，預(yù)測升船機(jī)船廂位置的水面波動(dòng)，利用長波從口門區(qū)傳遞到船廂的時(shí)間差，對(duì)影響船廂運(yùn)行安全水面波動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，以保障船廂運(yùn)行安全。

1.1 數(shù)學(xué)模型

沿水深平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，其基本方程由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，其形式為：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

1.2 計(jì)算范圍

計(jì)算范圍包括從口門至升船機(jī)與船閘共用引航道分叉部位約1 800m、船閘下游引航道、分叉部分往上游至升船機(jī)下閘首約2 600m及升船機(jī)承船廂、下閘首等部分，總長約4 600m。計(jì)算區(qū)域及相應(yīng)網(wǎng)格布置見圖2。

圖2 計(jì)算區(qū)域及相應(yīng)網(wǎng)格布置

1.3 模型驗(yàn)證

利用三峽樞紐整體模型下游引航道水位63.0 m，船閘輸水閥門2 min開啟泄水運(yùn)行過程下游引航道口門區(qū)的最大水位波動(dòng)與升船機(jī)承船廂及交匯區(qū)的水位波動(dòng)模型實(shí)測值對(duì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[8]，由表1可見計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

表1 物理模型與數(shù)學(xué)模型典型水面波動(dòng)值對(duì)比

2 引航道水面波動(dòng)傳遞規(guī)律

三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)的下游通航水位為62.0～73.8 m[6]，利用二維數(shù)學(xué)模型，在下游初始水位62.0,67.0，73.8 m條件下，分別計(jì)算模擬口門區(qū)產(chǎn)生波幅為0.03,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3，0.4 m的水位變化條件下，在引航道沿程及升船機(jī)船廂內(nèi)引起的水面波動(dòng)變化特性。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，升船機(jī)船廂處水面升、降的幅值均隨口門區(qū)水位波動(dòng)幅值增大而增大(圖3)。下游引航道水位62 m時(shí)，長波在引航道內(nèi)的穩(wěn)定傳遞周期約33.6 min，口門區(qū)±0.05 m的水位波動(dòng)，傳遞到船廂處將產(chǎn)生±0.2 m的水位波動(dòng)；口門區(qū)±0.20 m的水位波動(dòng)，傳遞到船廂處則將產(chǎn)生-0.67～0.53 m的水位波動(dòng)。下游引航道水位73.8 m時(shí)，長波在引航道內(nèi)的穩(wěn)定傳遞周期約19.2 min，口門區(qū)±0.05 m的水位波動(dòng)，傳遞到船廂處也將產(chǎn)生±0.2 m以內(nèi)的水位波動(dòng)；口門區(qū)±0.10 m的水位波動(dòng)，傳遞到船廂處則將產(chǎn)生±0.35 m的水位波動(dòng)。

圖3 口門區(qū)與船廂附近水面波動(dòng)關(guān)系

相同條件下，口門區(qū)水位波動(dòng)周期與引航道內(nèi)波傳遞周期越接近，在船廂內(nèi)引起的水面波動(dòng)幅值越大，且口門區(qū)水位波動(dòng)幅值越大，口門區(qū)水位變化周期對(duì)船廂內(nèi)水位波動(dòng)幅值的影響越顯著。

由圖4可見，口門區(qū)相同的水位波動(dòng)條件下，隨著下游水位的增加，船廂內(nèi)的水位波動(dòng)幅值也隨之增加。口門區(qū)±0.1 cm的水位波動(dòng)，下游水位62.0，67.0，73.8 m時(shí)對(duì)應(yīng)的船廂水面升降分別為0.28，0.36，0.37 m，因此口門區(qū)相同水位波動(dòng)情況下，引航道水深越深對(duì)船廂處的水位波動(dòng)越不利。

圖4 引航道水深對(duì)船廂附近水面波動(dòng)影響

3 承船廂對(duì)接安全預(yù)警方法

根據(jù)前面計(jì)算數(shù)據(jù)分析，三峽升船機(jī)船廂附近的水位波動(dòng)值與下游引航道水位及口門區(qū)水位波動(dòng)特性(波值、周期)等諸多因素相關(guān)。

升船機(jī)引航道內(nèi)水面波動(dòng)本質(zhì)上是水流能量在引航道內(nèi)來回傳遞衰減的過程，根據(jù)淺水波的特性，水深越淺波速越慢，根據(jù)能量守恒，相應(yīng)的波高越大，這也就是口門區(qū)水面微小波動(dòng)到升船機(jī)船廂附近水面波動(dòng)會(huì)顯著增大的原因。

(4)

式中：ΔHc為承船廂附近波高，m；Hc承船廂水深，m；ΔHk口門區(qū)波高，m；hs引航道口門水位，m；hk引航道口門底高程，m。

根據(jù)三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，船廂附近允許最大波高值為(ΔHc±0.50)m，帶入式(4)，可得口門區(qū)允許波高為：

(5)

圖5 引航道口門區(qū)E與承船廂水位變化ΔHc關(guān)系

根據(jù)式(5)可以繪制出三峽升船機(jī)下游水位與口門區(qū)允許的最大水面波高曲線(圖6)，口門區(qū)水面波高值位于該曲線下方，才能保證船廂附近的水面波高小于±0.50 m。由圖6可見，下游水位64 m時(shí)，口門區(qū)允許的最大波高為±0.19 cm；下游水位73.8 m時(shí)，口門區(qū)允許的水位波高僅±0.14 cm。

圖6 口門區(qū)水位允許波動(dòng)臨界曲線

4 結(jié) 語

針對(duì)三峽樞紐運(yùn)行引航道內(nèi)非恒定流變化復(fù)雜的特點(diǎn)，采用全新的思路解決非恒定流引起的升船機(jī)運(yùn)行對(duì)接安全問題，即通過研究口門區(qū)水位波動(dòng)傳遞到升船機(jī)船廂的水面變化規(guī)律，建立口門區(qū)與船廂的水位波動(dòng)變化關(guān)系，通過監(jiān)測口門區(qū)水位變化，利用三峽升船機(jī)引航道較長的特點(diǎn)，對(duì)引航道內(nèi)升船機(jī)船廂運(yùn)行對(duì)接水位進(jìn)行實(shí)施預(yù)警，降低三峽升船機(jī)船廂對(duì)接安全風(fēng)險(xiǎn)。

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Security Warning Measures of Shiplift Docked with Approach in Unsteady Flow

Li Zhonghua1, 2, Hu Ya’an1, 2

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute of State Energy Bureau, Nanjing 210029, Jiangsu, China;2. Key Laboratory of Navigation Structure Construction Technology, Ministry of Transport, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

The water level fluctuation transferring rules of the TGP shiplift downstream channel between approach entrance and chamber were simulated by 2D numerical model in various downstream water level, fluctuation amplitude and cycle. The relation of the TGP shiplift downstream water level fluctuation between approach entrance and ship chamber was established. Based on the water level fluctuation transfer relation, a new security warning measurement was proposed by monitoring approach entrance water level to reduce the risk of the TGP shiplift chamber docked with downstream approach in unsteady flow.

waterway engineering; shiplift; chamber dock; approach channel; security warning

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.16

2014-06-21；

2014-09-15

國家“863計(jì)劃”課題項(xiàng)目(2012AA1125)

李中華(1974—)，男，云南鶴慶人，高級(jí)工程師，主要從事通航水力學(xué)方面的研究。E-mail：zhli@nhri.cn。

U641.3+5

A

1674-0696(2015)04-087-04